CN113853479A - 内燃机的控制方法以及控制装置 - Google Patents

Abstract

内燃机(1)具有缸内喷射用燃料喷射阀(GDI)(16)以及端口喷射用燃料喷射阀(MPI)(12)。发动机控制器(31)对GDI喷射比例和MPI喷射比例进行可变控制。缸内喷射用燃料喷射阀(16)是既定的燃料喷射阀。在缸内喷射用燃料喷射阀(16)中，在产生闪急沸腾的条件下，增大MPI喷射比例。

Description

内燃机的控制方法以及控制装置

技术领域

本发明涉及内燃机的控制方法以及控制装置，该内燃机构成为具有：缸内喷射用燃料喷射阀，其向燃烧室喷射燃料；以及端口喷射用燃料喷射阀，其向进气端口喷射燃料，该控制方法以及控制装置对缸内喷射用燃料喷射阀以及端口喷射用燃料喷射阀分别分担的喷射量比例进行控制。

背景技术

专利文献1等已经公开了一种内燃机，该内燃机构成为具有：缸内喷射用燃料喷射阀，其向燃烧室喷射燃料；以及端口喷射用燃料喷射阀，其向进气端口喷射燃料。

在专利文献1中，为了实现作为排气中含有的排气微粒的性能指标的PM(Particulate Matter)、PN(Particulate Number)的降低，在与从缸内喷射用燃料喷射阀喷射的燃料喷雾碰撞的活塞的温度较低时，增大端口喷射用燃料喷射阀的喷射量比例。在活塞温度升高的暖机之后，基本上利用缸内喷射用燃料喷射阀向燃烧室内喷射燃料。

根据本发明的发明人的研究能够判明，在缸内喷射用燃料喷射阀中，如果紧邻喷孔的前方的燃料温度高于某个温度，则在高温高压的燃料通过喷孔而暴露于较低压力时产生燃料的瞬间沸腾即“闪急沸腾”，与此相伴还产生PN的增大。即，如果产生闪急沸腾，则燃料的至少一部分在从喷孔喷出的瞬间实现气化而膨胀，因此从喷孔以较细的圆锥状喷出的各喷雾要较粗地扩展。其结果，在喷射结束时产生的燃料喷射阀的前端部(喷孔出口周围)的燃料液膜的附着现象(换言之，由燃料将燃料喷射阀前端部润湿)增多，产生PN的增大。

在专利文献1中，并未考虑因这种缸内喷射用燃料喷射阀的闪急沸腾(flashboiling)引起的PN的恶化。

专利文献1：日本特开2009-197705号公报

发明内容

在本发明中，对缸内喷射用燃料喷射阀的前端部处的燃料温度进行检测或推定，并且对进气压力进行检测，基于上述燃料温度和进气压力而判定是否符合有可能产生闪急沸腾的闪急沸腾条件。而且，如果符合闪急沸腾条件，则减小缸内喷射用燃料喷射阀分担的喷射量比例而从端口喷射用燃料喷射阀喷射一部分或全部燃料。

这样在符合有可能产生闪急沸腾的闪急沸腾条件时减小缸内喷射用燃料喷射阀的喷射量比例，从而例如与从缸内喷射用燃料喷射阀供给了所需的全部燃料的情况相比，PN变为较低的值。

附图说明

图1是表示作为本发明的一个实施例的内燃机的系统结构的图。

图2是对基于GDI的PN的特性和基于MPI的PN的特性进行对比而示出的特性图。

图3是表示GDI和MPI的喷射量比例的控制流程的流程图。

图4是表示冷却水温和燃料温度的关系的特性图。

图5是表示燃料喷射量和燃料温度的关系的特性图。

图6是表示旋转速度或负荷和燃料温度的关系的特性图。

图7是表示空燃比和燃料温度的关系的特性图。

图8是表示相对于吸入负压的闪急沸腾下限温度Tf1以及闪急沸腾上限温度Tf2的特性的特性图。

图9是表示冷却水温和进气阀温度的关系的特性图。

图10是表示燃料喷射量和进气阀温度的关系的特性图。

图11是表示旋转速度或负荷和进气阀温度的关系的特性图。

图12是表示空燃比和进气阀温度的关系的特性图。

图13是基于燃料温度和进气阀温度而汇总示出GDI喷射比例和MPI喷射比例的哪一个处于增大侧的说明图。

图14是表示加速时的PN值的变化等的时序图。

图15是赋予滞后的例子的说明图。

图16是赋予延迟时间的例子的说明图。

图17是赋予延迟时间的其他例子的说明图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的一个实施例详细进行说明。

图1示出了应用本发明的汽车用内燃机1的系统结构。该内燃机1例如是具有利用多连杆式活塞曲柄机构的可变压缩比机构2的4冲程循环的火花点火内燃机，在燃烧室3的顶壁面配置有一对进气阀4以及一对排气阀5，并且在由上述进气阀4以及排气阀5包围的中央部配置有火花塞6。

在利用上述进气阀4开闭的进气端口15的下方，作为既定的主燃料喷射阀而配置有将燃料直接向燃烧室3内喷射的缸内喷射用燃料喷射阀16。另外，在进气端口15，作为在特定条件下执行动作的副燃料喷射阀，针对各气缸而配置有朝向进气端口15内(更详细而言，朝向进气阀4)喷射燃料的端口喷射用燃料喷射阀12。上述缸内喷射用燃料喷射阀16以及端口喷射用燃料喷射阀12均是通过施加驱动脉冲信号而打开的电磁式或压电式的喷射阀，喷射实质上与驱动脉冲信号的脉冲宽度成正比例的量的燃料。

在与上述进气端口15连接的进气通路14的总管部18上游侧安装有根据来自发动机控制器31的控制信号而对开度进行控制的电子控制型节流阀19。在节流阀19的上游侧配置有对吸入空气量进行检测的空气流量计20，在更上游侧配置有空气滤清器21。

另外，在与排气端口17连接的排气通路25安装有由三元催化剂构成的催化装置26，在其上游侧配置有对空燃比进行检测的空燃比传感器28。

除了上述空气流量计20、空燃比传感器28以外，用于对内燃机旋转速度进行检测的曲轴转角传感器32、对冷却水温进行检测的水温传感器33、对由驾驶者操作的加速器踏板的踩踏量进行检测的加速器开度传感器34、对总管部18内的压力进行检测的进气压力传感器35等传感器类的检测信号也被输入至上述发动机控制器31。发动机控制器31基于上述检测信号而将燃料喷射阀16、12的燃料喷射量以及喷射时机、火花塞6的点火时机、节流阀19的开度等控制为最佳。

另一方面，可变压缩比机构2利用公知的多连杆式活塞曲柄机构，构成为以如下部件为主体：下连杆42，其旋转自如地支撑于曲轴41的曲柄销41a；上连杆45，其将上述下连杆42的一端部的上销43和活塞44的活塞销44a彼此连结；控制连杆47，其一端与下连杆42的另一端部的控制销46连结；以及控制轴48，其将上述控制连杆47的另一端支撑为能够摆动。上述曲轴41以及上述控制轴48经由轴承构造而旋转自如地支撑于气缸体49下部的曲轴箱49a内。上述控制轴48具有位置随着该控制轴48的转动而变化的偏心轴部48a，详细而言，上述控制连杆47的端部以能够旋转的方式与上述偏心轴部48a嵌合。关于上述可变压缩比机构2，活塞44的上止点位置随着控制轴48的转动而上下移位，因此机械压缩比发生变化。

另外，作为对上述可变压缩比机构2的压缩比进行可变控制的驱动机构，在该实施例中，具有与曲轴41平行的旋转中心轴的电动致动器51配置于曲轴箱49a的外壁面，经由在上述电动致动器51的输出旋转轴固定的第1臂52、在控制轴48固定的第2臂53、以及将两者连结的中间连杆54而使得电动致动器51和控制轴48联动。电动致动器51包含在轴向上串联配置的电动机以及变速机构。该电动致动器51由来自发动机控制器31的控制信号控制为实现与内燃机运转条件相应的目标压缩比。目标压缩比基本上在低负荷侧为高压缩比，负荷越高，为了抑制爆震等而变为越低的压缩比。

此外，在本发明中，可变压缩比机构2并非必不可少，可以是固定压缩比内燃机。

接下来，图2是对缸内喷射用燃料喷射阀16的燃料喷射(下面称为“GDI”)和端口喷射用燃料喷射阀12的燃料喷射(下面称为“MPI”)的PN的特性进行对比而示出的特性图。该图是示意性的说明图，并非严格的图。纵轴表示PN，横轴汇总表示各部分的壁温、燃料温度(后述的缸内喷射用燃料喷射阀16前端部的燃料温度)以及进气阀4的温度。此外，该横轴仅表示上述3个温度的高低趋势，即使是横轴上相同的点，上述3个温度的值也不相等。

如图所示，无论在GDI以及MPI的任何情况下，都是壁温越低则PN的值越高，PN随着壁温的升高而减小。如果对GDI和MPI进行对比，则只要壁温不足够高，MPI的PN值就较高。如果进气阀4的温度超过某个温度(进气阀阈值温度Tv0)，则在GDI和MPI中PN的值的差异不大。

在这里，如果缸内喷射用燃料喷射阀16前端部处的燃料温度超过某个温度(闪急沸腾下限温度Tf1)，则容易产生作为燃料的瞬间沸腾的闪急沸腾。如果产生闪急沸腾，则在缸内喷射用燃料喷射阀16的喷孔出口周围产生燃料液膜的附着，因该液膜而导致PN恶化。即，如果产生闪急沸腾，则如图2所示导致GDI的PN值高于MPI的PN值。

如果缸内喷射用燃料喷射阀16前端部处的燃料温度进一步升高，即，如果超过闪急沸腾上限温度Tf2，则即使产生作为燃料的瞬间沸腾的闪急沸腾，缸内喷射用燃料喷射阀16前端部处的温度也升高，因此喷孔出口周围的燃料液膜迅速地蒸发。因此，未产生由闪急沸腾引起的PN的恶化。

即，如图2所示，在缸内喷射用燃料喷射阀16前端部处的燃料温度处于闪急沸腾下限温度Tf1与闪急沸腾上限温度Tf2之间的情况下，产生由闪急沸腾引起的PN的恶化。因此，在该情况下，与GDI相比，MPI在抑制PN这方面更有利。特别地，在进气阀4的温度超过进气阀阈值温度Tv0的条件下，MPI的PN值足够低，因此无论闪急沸腾的影响程度的大小如何，MPI都在抑制PN这方面更有利。

图3是表示在发动机控制器31中执行的GDI和MPI的喷射量比例的控制流程的流程图。下面，将缸内喷射用燃料喷射阀16分担的喷射量比例称为GDI喷射比例，将端口喷射用燃料喷射阀12分担的喷射量比例称为MPI喷射比例。在从缸内喷射用燃料喷射阀16供给所需的全部燃料时，GDI喷射比例为100(％)，MPI喷射比例为0(％)。相反地，在从端口喷射用燃料喷射阀12供给所需的全部燃料时，GDI喷射比例为0(％)，MPI喷射比例为100(％)。在条件变化的过渡时，如“90：10”、“80：20”……“20：80”、“10：90”那样变为中间值。此外，有时GDI喷射比例和MPI喷射比例之和未必因燃烧效率的差异等而变为100(％)，但这里为了简化说明而将两者之和仅设为100(％)。

在各气缸的每个燃烧周期反复执行图3的流程图所示的流程，在步骤1中，根据该时刻的各种参数而对燃料温度、更详细而言对缸内喷射用燃料喷射阀16的前端部处的燃料温度Tf进行推定(即，计算)。例如，作为与燃料温度相关的参数，利用冷却水温、燃料喷射量(这相当于各周期的投入热量)、内燃机旋转速度、内燃机负荷、空燃比中的至少1个而对燃料温度进行推定。图4～图7表示各参数和燃料温度Tf的关系，冷却水温越高，另外，燃料喷射量、负荷越大，燃料温度越高。另外，旋转速度越高，每单位时间的热量越大，因此旋转速度越高则推定为燃料温度越高。另外，如果空燃比浓厚则燃烧温度降低，因此空燃比越浓厚则推定为燃料温度越低。在1个例子中，利用根据冷却水温和燃料喷射量(或负荷)预先制作的对应图而求出燃料温度的基本值，根据内燃机旋转速度以及空燃比对该基本值进行校正，由此推定燃料温度Tf。

在紧随步骤1之后的步骤2中，读入进气压力传感器35检测出的进气压力(吸入负压)的值，基于该进气压力、以及步骤1中推定出的燃料温度Tf而进行闪急沸腾判定处理。

图8是将紧邻喷孔的前方(换言之，缸内喷射用燃料喷射阀16的前端部)的燃料温度Tf和进气压力(吸入负压)作为参数而表示在加压后的燃料从喷孔向相对较低的压力空间即燃烧室3内排出时是否产生在瞬间沸腾/气化的现象即“闪急沸腾”的特性图。如图8所示，如果缸内喷射用燃料喷射阀16前端部处的燃料温度Tf高于实线Tf1所示的闪急沸腾下限温度Tf1，则至少一部分燃料在燃料从喷孔通过而暴露于缸内压力的瞬间急剧沸腾/气化。即，产生闪急沸腾。这里，闪急沸腾下限温度Tf1是缸内压力越低则越低的温度。即，作为有可能产生闪急沸腾的燃料温度的闪急沸腾下限温度Tf1是缸内压力的函数。而且，在进气行程中，进气阀4打开，因此对闪急沸腾造成影响的缸内压力可以视为大致与进气压力相等。此外，在图8中，将纵轴的进气压力表示为吸入负压。

图8中的实线Tf2表示前述的闪急沸腾上限温度Tf2。如前所述，闪急沸腾上限温度Tf2处于被视为因闪急沸腾在喷孔周围产生的液膜迅速蒸发而未产生由闪急沸腾引起的PN的恶化的温度区域。缸内压力越低，液膜的蒸发越活跃，因此闪急沸腾上限温度Tf2是进气压力越低(换言之，吸入负压越大)则越低的温度。

发动机控制器31以对应图或运算式的形式而具有图8所示的进气压力和闪急沸腾下限温度Tf1以及闪急沸腾上限温度Tf2的关系。在步骤2中，利用该对应图或运算式，求出与检测出的进气压力对应的闪急沸腾下限温度Tf1以及闪急沸腾上限温度Tf2，判定步骤1中推定出的燃料温度Tf是否处于闪急沸腾下限温度Tf1与闪急沸腾上限温度Tf2之间。而且，如果燃料温度Tf处于闪急沸腾下限温度Tf1与闪急沸腾上限温度Tf2之间，则表示闪急沸腾条件的标志fFB设定为“1”。在低于闪急沸腾下限温度Tf1时、或者高于闪急沸腾上限温度Tf2时，标志fFB设为“0”。

在紧随步骤2之后的步骤3中，根据该时刻的各种参数而对进气阀4的温度(进气阀温度Tv)进行推定(即，计算)。例如，作为与进气阀温度Tv相关的参数，利用冷却水温、燃料喷射量(这相当于各周期的投入热量)、内燃机旋转速度、内燃机负荷、空燃比中的至少1个而对燃料温度进行推定。图9～图12表示各参数和进气阀温度Tv的关系，冷却水温越高，另外，燃料喷射量、负荷越大，则进气阀温度Tv越高。另外，旋转速度越高，则每单位时间的热量越大，因此推定为旋转速度越高则进气阀温度Tv越高。另外，如果空燃比浓厚，则燃烧温度降低，因此推定为空燃比越浓厚则进气阀温度Tv越低。在1个例子中，利用根据冷却水温和燃料喷射量(或负荷)预先制作的对应图而求出进气阀温度Tv的基本值，根据内燃机旋转速度以及空燃比而对该基本值进行校正，由此推定进气阀温度Tv。

在紧随步骤3之后的步骤4中，对步骤3中推定出的进气阀温度Tv和前述的进气阀阈值温度Tv0进行对比。进气阀阈值温度Tv0预先设定为使得从端口喷射用燃料喷射阀12喷射的燃料喷雾在进气阀4的表面处不形成液膜的温度。进气阀阈值温度Tv0可以是固定值，或者可以是基于进气压力等而施加校正后的值。

如果进气阀温度Tv小于或等于进气阀阈值温度Tv0，则从步骤4进入步骤5，判别表示闪急沸腾条件的标志fFB的状态。

如果标志fFB为“0”(即，并非闪急沸腾条件)，则从步骤5进入步骤6，增大GDI喷射比例。此外，初始的GDI喷射比例为100(％)。即，在燃料消耗率等方面有利的缸内喷射用燃料喷射阀16是既定的燃料喷射阀。

如果在步骤5中标志fFB为“1”(即，闪急沸腾条件)，则从步骤5进入步骤7，增大MPI喷射比例(与此相伴，减小GDI喷射比例)。例如，以1％或5％的恒定量使喷射比例变化。如前所述，在各气缸的每个燃烧周期反复执行图2的流程图所示的流程，因此如果进气阀温度Tv小于或等于进气阀阈值温度Tv0且是闪急沸腾条件的状态持续，则逐渐增大MPI喷射比例，MPI喷射比例不久就变为100(％)。

另外，在暂时符合闪急沸腾条件而MPI喷射比例变为100(％)或者适当的中间值之后，如果因某个参数的变化而使得标志fFB变为“0”，则从步骤5进入步骤6，增大GDI喷射比例。如果标志fFB为“0”的状态持续，则逐渐增大GDI喷射比例，GDI喷射比例不久就变为100(％)。

当在步骤4中进气阀温度Tv超过进气阀阈值温度Tv0的情况下，从步骤4进入步骤8，对缸内喷射用燃料喷射阀16的前端部处的燃料温度Tf和闪急沸腾上限温度Tf2进行对比。如果燃料温度Tf小于或等于闪急沸腾上限温度Tf2，则进入步骤7而增大MPI喷射比例。即，在进气阀温度Tv超过进气阀阈值温度Tv0的情况下，无需担忧从端口喷射用燃料喷射阀12喷射的燃料在进气阀4变为液膜，因此无论是否符合闪急沸腾条件都增大MPI喷射比例。

当在步骤8中燃料温度Tf超过闪急沸腾上限温度Tf2的情况下，为了实现对爆震的抑制，进入步骤6而增大GDI喷射比例。

图13是汇总表示通过步骤4至步骤8的处理并基于燃料温度Tf和进气阀温度Tv而使得GDI喷射比例和MPI喷射比例的哪一个处于增大侧的说明图。在图中的标注斜线而示出的区域，MPI喷射比例增大，在其他区域，GDI喷射比例增大。

这样，在上述实施例中，基于闪急沸腾条件而将GDI喷射比例以及MPI喷射比例控制为可变，避免PN因闪急沸腾而增大。

图14是以内燃机1从图8中标注的P1点向P2点加速时为例的时序图。图中的(a)表示加速器开度，(b)表示内燃机旋转速度以及内燃机负荷，(c)表示燃料温度Tf，(d)表示进气阀温度Tv，(e)表示GDI以及MPI各自的PN值的变化。

如图所示，如果加速器开度增大且内燃机旋转速度以及内燃机负荷升高，则燃料温度Tf以及进气阀温度Tv也逐渐升高。在图示例子中，在时间t1，燃料温度Tf超过闪急沸腾下限温度Tf1，在时间t2，进气阀温度Tv超过进气阀阈值温度Tv0。

关于既定的燃料喷射阀的GDI的PN值，如实线所示，在内燃机负荷增大时暂时升高，然后减小。而且，如果随着燃料温度Tf的升高而产生闪急沸腾，则PN值变为较高的值。另一方面，关于MPI的PN值，如虚线所示，依然在内燃机负荷增大时暂时升高，此时变为高于GDI的PN值的值，随着进气阀温度Tv等壁温的升高而逐渐减小。

在上述实施例中，在时间t1，从实线所示的GDI的PN值的特性向虚线所示的MPI的PN值的特性变换，作为整体而能够将PN值抑制为最小限度。

此外，在上述实施例中，在燃料温度Tf超过闪急沸腾下限温度Tf1时立即开始增大MPI喷射比例，直至PN值变化为止多少存在有滞后。在升高中的燃料温度Tf超过闪急沸腾上限温度Tf2时、或者相反地在下降中的燃料温度Tf低于闪急沸腾上限温度Tf2、闪急沸腾下限温度Tf1时，PN值的特性变化同样也多少存在有滞后。

因此，考虑到上述滞后，可以对温度阈值赋予与温度变化的方向相应的适当的滞后。图15表示温度升高时的滞后的一个例子。

或者可以取代温度滞后而在燃料温度Tf横穿温度阈值之后直至开始喷射比例的变更为止赋予适当的延迟时间。图16表示横穿温度升高时的闪急沸腾下限温度Tf1之后的延迟时间的一个例子。图17表示温度从高于闪急沸腾下限温度Tf1的温度降低而低于闪急沸腾下限温度Tf1时的延迟时间的一个例子。

另外，在上述实施例中，根据各种参数而对缸内喷射用燃料喷射阀16前端部处的燃料温度Tf以及进气阀温度Tv进行推定，但也可以利用温度传感器对上述参数进行检测。

Claims (6)

1.一种内燃机的控制方法，该内燃机具有：缸内喷射用燃料喷射阀，其向燃烧室喷射燃料；以及端口喷射用燃料喷射阀，其向进气端口喷射燃料，其中，

对上述缸内喷射用燃料喷射阀的前端部处的燃料温度进行检测或推定，

对进气压力进行检测，

基于上述燃料温度和进气压力而判定是否符合有可能产生闪急沸腾的闪急沸腾条件，

将上述缸内喷射用燃料喷射阀设为既定的燃料喷射阀，另一方面，如果符合闪急沸腾条件，则减小上述缸内喷射用燃料喷射阀分担的喷射量比例而从上述端口喷射用燃料喷射阀喷射一部分或全部燃料。

2.根据权利要求1所述的内燃机的控制方法，其中，

将进气压力作为参数而预先设定闪急沸腾下限温度以及闪急沸腾上限温度，

如果检测出或推定出的上述燃料温度处于与检测出的进气压力对应的闪急沸腾下限温度和闪急沸腾上限温度之间，则判定为符合闪急沸腾条件。

3.根据权利要求2所述的内燃机的控制方法，其中，

对进气阀温度进行检测或推定，

如果该进气阀温度超过作为能够避免因从上述端口喷射用燃料喷射阀喷射的燃料而产生液膜的温度所设定的进气阀阈值温度，并且上述燃料温度未超过上述闪急沸腾上限温度，则无论是否符合闪急沸腾条件，都减小上述缸内喷射用燃料喷射阀分担的喷射量比例而从上述端口喷射用燃料喷射阀喷射一部分或全部燃料。

4.根据权利要求3所述的内燃机的控制方法，其中，

如果上述燃料温度超过上述闪急沸腾上限温度，则增大上述缸内喷射用燃料喷射阀分担的喷射量比例。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机的控制方法，其中，

作为与上述缸内喷射用燃料喷射阀的前端部处的燃料温度相关的参数，利用冷却水温、燃料喷射量、内燃机旋转速度、内燃机负荷、空燃比中的至少1个参数对上述燃料温度进行推定。

6.一种内燃机的控制装置，该内燃机具有：缸内喷射用燃料喷射阀，其向燃烧室喷射燃料；以及端口喷射用燃料喷射阀，其向进气端口喷射燃料，将上述缸内喷射用燃料喷射阀设为既定的燃料喷射阀，并且根据条件而对该缸内喷射用燃料喷射阀分担的喷射量比例和上述端口喷射用燃料喷射阀分担的喷射量比例进行可变控制，其中，

对上述缸内喷射用燃料喷射阀的前端部处的燃料温度进行检测或推定，并且对进气压力进行检测，

如果基于上述燃料温度和进气压力而判定为符合有可能产生闪急沸腾的闪急沸腾条件，则减小上述缸内喷射用燃料喷射阀的喷射量比例且增大上述端口喷射用燃料喷射阀的喷射量比例。

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